视频图像压缩标准主要有哪些

视频图像压缩标准主要有哪些，各自的优缺点及适用范围

作者：李佳璘韩妮娜宋亚希

近10年来，图像编码技术得到了迅速发展和广泛应用，关且日臻成熟，其标志就是几个关于图像编码的国际标准的制定，即国际标准化组织ISO和国际电工委员会IEC关于静止图像的编码标准JPEG、国际电信联盟ITU-T关于电视电话/会议电视的视频编码标准的有H261,H.263和ISO/IEC关于活动图像的编码标准MPEG-1，MPEG-2和MPEG-4等。这些标准图像编码算法融合了各种性能优良的图像编码方法，代表了目前图像编码的发展水平。1、JPEG（Joint Photographic Expert Group）

JPEG是ISO/IEC联合图像专家组制定的静止图像压缩标准，是适用于连续色调（包括灰度和彩色）静止图像压缩算法的国际标准。JPEC算法共有4种运行模式，其中一种是基于空间预测（DPCM）的无损压缩算法，另外3种是基于DCT的有损压缩算法。

1）无损压缩算法，可以保证无失真地重建原始图像。

2）基于DCT的顺序模式，按从上到下，从左到右的顺序对图像进行编码，称为基本系统。

3）基于DCT的递进模式，指对一幅图像按由粗到细对图像进行编码。

4）分层模式。以各种分辨率对图像进行编码，可以根据不同的要求，获得不同分辨率的图像。

2、JPEG-2000

与以往的JPEG标准相比，JPEG-2000压缩率比JPEG高约30%，它有许多原先的标准所不可比拟的优点。JPEG-2000与传统JPEG最大的不同，在于它放弃了JPEG所采用的以DCT 变换为主的分块编码方式，而改为以小波变换为主的多分辨率编码方式。

首先，JPEG-2000能实现无损压缩（lossless compression）。在实际应用中，有一些重要的图像，如卫星遥感图像、医学图像、文物照片等，通常需要进行无损压缩。对图像进行无损编码的经典方法——预测法已经发展成熟，并作为一个标准写入了JPEG-2000中。 JPEG-2000还有一个很好的优点就是误码鲁棒性（robustness to bit error）好。因此使用JPEG-2000的系统稳定性好，运行平稳，抗干扰性好，易于操作。

JPEG-2000能实现渐进运输（progressive transmission），这是JPEG-2000的一个极其重要的特征。它可以先传输图像的轮廓，然后逐步传输数据，不断提高图像质量，以满足用户的需要，这在网络传输中具有非常重大的意义。使用JPEG-2000下载一个图片，用户可先看到这个图片的轮廓或缩影，然后再决定是否下载。而且，下载时可以根据用户需要和带宽来决定下载图像质量的好坏，从而控制数据量的大小。

PEG-2000另一个极其重要的优点就是感兴趣区（ROI，Region Of Interest）特性。用户在处理的图像中可以指定感兴趣区，对这些区域进行压缩时可以指定特定的压缩质量，或在恢复时指定特定的解压缩要求，这给人们带来了极大的方便。在有些情况下，图像中只有一小块区域对用户是有用的，对这些区域采用高压缩比。在保证不丢失重要信息的同时，又能有效地压缩数据量，这就是感兴趣区的编码方案所采取的压缩策略。基于感兴趣区压缩方法的优点，在于它结合了接收方对压缩的主观要求，实现了交互式压缩。

3、MPEG-1

国际标准化组织ISO/IEC的运动图像专家组MPEG（Moving Picture Expert Group）一直致力于运动图像及其伴音编码标准化工作，并制定了一系列关于一般活动图像的国际标

准。1993年制定的MPEG-1标准是针对1 5Mbit/s速率的数字存储媒体运动图像及其伴音编码制定的国际标准，该标准的制定使得基于CD-ROM的数字视频以及MP3等产品成为可能。MPEG-1的带宽最多为1 5Mbit/s，其中11Mbit/s用于视频，128Kbit/s用于音频，其余带宽用于MPEG系统本身。

为了追求高的压缩效率，去除图像序列的时间冗余度，同时满足多媒体等应用所必须的随机存取要求，MPEG-1视频把图像编码分成I帧、P帧、B帧和D帧共4种类型。I帧为帧内编码帧（intra coded frame），编码时采用类似JPEG的帧内DCT编码，I帧的压缩率是几种编码类型中最低的。P帧为预测编码帧（predictive coded rame），采用前向运动补偿预测和误差的DCT编码，由其前面的I或P帧进行预测。B帧为双向预测编码帧

（bi-directionally predictive coded frame），采用双向运动补偿预测和误差的DCT编码，由前面和后面的I或P帧进行预测，所以B帧的压缩效率最高。D帧为直流编码帧（DC coded frame），只包含每个块的直流分量。MPEG-1采用运动补偿支除图像序列时间轴上的冗余度，可使对P帧和B帧图像的压缩倍数比I帧提高很多。

4、MPEG-2

MPEG组织1995年推出的MPEG-2标准是在MPEG-1标准基础上的进一步扩展和改进，主要是针对数字视频广播、高清晰度电视和数字视盘等制定的4～9Mbit/s运动图像及其伴音的编码标准，MPEG-2是数字电视机顶盒与DVD等产品的基础。MPEG-2系统要求必须与MPEG-l 系统向下兼容，因此其语法的最大特点在于兼容性好并可扩展。MPEG-2的目标与MPEG-1相同，仍然是提高压缩比，改善音频、视频质量，采用的核心技术还是分块DCT和帧间运动补偿预测技术。MPEG-2视频允许数据速率高达100Mbit/s，支持隔行扫描视频格式和许多高级性能。考虑到视频信号隔行扫描的特点，MPEG-2专门设置了“按帧编码”和“按场编码”两种模式，并相应地对运动补偿和DCT方法进行了扩展，从而显著提高了压缩编码的效率。考虑到标准的通用性，增大了重要的参数值，允许有更大的画面格式、比特率和运动矢量长度。

MPEG-2视频是一系列的系统，每一个系统具有安排好的共性和兼容程度。它允许对四种源格式或者级别进行编码，从简单清晰度(CIF格式)到完全的高清晰度电视HDTV(High Definition Television)。除了源格式的这种灵活性外，MPEG-2还规定了分辨率从低到高的4级5类共11种单独的技术规范，同一种类不同级别间的图像分辨率和编码速率相差甚远。表2给出了MPEG-2允许的级别和类的组合。

5、MPEG-4

1992年11月，MPEG专家组决定开发新的适应于极低码率的音频/视频（AV，

Audio-Visual）编码的国际标准，即MPEG-4。对于学术界来说，极低码率（即小于64Kbit/s）是视频编码标准的最后一个比特率范围。

MPEG-4专家组深入分析了AV领域中电视(television)、计算机(computer)、通信(communication)以及其交叉融合的发展趋势后，认为MPEG-4应该提供用于通信的新方式，其核心是基于内容content-based)的AV信息存储、处理与操作，支持交互性、高压缩比以及通用存储性等功能。同时在其结构上应具有适应性与可扩展性，以适应硬、软件技术的不断发展，便于及时融合新的技术。

相对于MPEG的前两个压缩标准，MPEG-4已不再是一个单纯的视频音频编解码标准，它将内容与交互性作为核心，从而为多媒体提供了一个更为广阔的平台。它更多定义的是一种格式和框架，而不是具体的算法，这样人们可以在系统中加入许多新的算法。除了一些压缩